基于太阳能热应用的TiO2/CuFeMnO4吸收涂料光学特性研究

鲁红光

(江西新能源科技职业学院,江西 新余 338004)

1 引言

研究吸收涂层的目的就是最大限度地吸收入射的太阳能，减少表面的辐射热损，以提高光热转换效率[1]。在众多太阳能吸收材料中，涂料CuFeMnO4，由于其成本低，且易于涂在各种基材上，比较适用于家用太阳能热水器[2]。可以通过计算吸收-发射比α/ε来评价这种太阳能吸收材料涂层的性能[3]。对于光谱选择性测试，一个好的太阳能吸收器要求能够吸收更多的太阳光，波长范围为300 nm < λ < 2500 nm时，太阳辐射能最强[4]，而在远红外线范围要求发射较少。根据这一准则，优良的选择性太阳能吸收器在300～2500 nm波长范围内应具有高吸收率，α>0.9，低发射率，ε <0.2[5]，优质太阳能吸收体的α/ε比值应较高。

虽然SiO2使涂料的吸收率有显著提高，但0.62的热散发率不利于太阳能吸热器的应用。为了提高CuFeMnO4涂料的吸收效率，提高其对太阳光谱的选择性，需要提高其吸收发射比α/ε。可以通过选择低红外(IR)透射粘合剂来降低其热发射率，提高α/ε比值。研究表明，TiO2在太阳光谱可见区域具有高的红外透射率和高的吸收率[6]。

2 实验程序

2．1 二氧化钛(TiO2)溶液及TiO2/FeMnCuO4吸附涂料的制备

用异丙醇(纯度为99.7%)制备1 mol的钛酸异丙酯(纯度为99.7%)溶液，在强烈搅拌下将28 mL溶液逐渐加入到72 mL蒸馏水中，以分散白色混凝物。该混合物在30 ℃下搅拌1 h，以确保完全水解。然后将1 mol体积为5 mL的硝酸溶液加入到混合物中，以加速胶溶化，并在70 ℃下搅拌7 h，以确保异丙醇蒸发并冷却至室温。然后将该溶液冷却到室温，形成稳定的透明的TiO2溶液[7]。以不同比例的CuFeMnO4溶液与TiO2溶液混合，制备TiO2/FeMnCuO4吸附涂料。

2．2 热发射率测量

吸收体的热发射率是光谱选择性的一个重要参数。由于集热板由集热板本身、粘结剂(TiO2)和吸收涂料组成，因此有必要了解每次使用时其热发射率的变化情况。测定铝板的热发射率，从室温到略高于100 ℃，因为这是家用平板太阳能集热器的操作范围[8]。采用稳态量热法半球发射率测量，计算公式为[9]：

(1)

式(1)中：I为外加电流；V为外加电压；T为板的温度；Ta为环境温度；ε为热发射率；σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数。

图1显示了用于热发射率测量的装置。不同的电流通过尺寸为(4.5 ×1.5) cm2的铝板，铝板从室温逐渐加热到100 ℃以上。通过极板的交流电是由变流器调节的。在加热温度略高于100 ℃后，电力供应就停止。当样品冷却到室温时，同时测量传感器电压和表面温度。环境温度也可以用温度计监测。在测量过程中，用耐高温胶带将热流传感器夹在平板上。

图1 热发射率测量装置

2．3 光学和形态表征

在300～2500 nm波长范围内研究铝基板表面在近似正入射下的反射率，这是太阳能光热应用的范围。反射和吸收测量采用计算机双光束固体光谱3700 DUV岛津分光光度计与高反射铝镜作为参考。用光学显微镜和Carl Zeiss SIGMA(型扫描电子显微镜) FE-SEM(场发射扫描电镜) OXFORD X-ACT(能谱仪)配备EDS检测器(SEM)对样品进行显微观察。

3 结果与讨论

通过研究TiO2/CuFeMnO4涂料的表面形貌，显微图如图2所示，观察到TiO2/CuFeMnO4涂料表面开裂成块状。裂缝大为1 μm，块体多为2 μm以上，单个块体孔隙小于500 nm。对涂层进行了EDX分析，吸收体基体中元素的存在以原子百分比表示，如表1所示。从表1中可以检测到氯，但氯在化合物中所占的比例最小。氯的存在可能是由于氯化铜或氯化铁的残留物，它们构成了制备CuFeMnO4吸收剂的试剂的一部分。

表1 浸涂TiO2/CuFeMnO4涂料对纹理铝表面的EDX分析

图2 (a) X 5000、(b) X 10000放大倍数下浸涂TiO2/CuFeMnO4涂料在纹理铝表面形成的SEM显微照片

图3显示了两组反射光谱：①在纹理铝表面涂敷TiO2薄膜，②在纹理铝表面涂敷TiO2/CuFeMnO4涂料薄膜。由上一组曲线可知，相同厚度为0.0014 g/cm2的TiO2薄膜在纹理铝上的反射率为41% ～ 71%。结果表明，在300～2500 nm光谱范围内，由于铝衬底纹理化所用蚀刻剂的浓度不同，其反射率偏差小于4%。蚀刻剂浓度如图3所示为高氯酸与乙醇体积比。下面的一组曲线显示，在纹理铝表面涂上TiO2/CuFeMnO4涂料后，反射率急剧下降，表明吸收增强。需要指出的是，从较低的一组曲线中可见光谱范围( 400～700 nm )的反射率低于15%，而红外线的反射率增加，可达35%。

从图3的上下两组曲线中可以清楚地看出，腐蚀剂浓度影响反射率，但在反射率上没有任何一致的规律性。结果表明，TiO2/CuFeMnO4涂层在纹理铝表面的最高反射率为35%，达到了65%以上的吸收。在同一波长300～2500 nm范围内，TiO2/CuFeMnO4涂层的反射率在2.5%～35%之间，而未加CuFeMnO4的涂层反射率在40%～75%之间。因此，掺入TiO2的CuFeMnO4涂料对CuFeMnO4的吸收有明显的改善。抛光铝具有最高的热发射率，而在纹理表面涂上TiO2会降低热发射率，再在表面涂上吸收涂料CuFeMnO4会进一步降低热发射率。实验证明TiO2/CuFeMnO4是太阳能集热器的一个很好的吸收材料,其吸收率高达65%以上。

图3 反射光谱：TiO2涂层纹理铝表面(顶部)和TiO2/CuFeMnO4涂层纹理铝表面(底部)

采用基于热流的技术在单个测试中测量所有波长和所有角度的发射率，总半球发射率，得到图4，其显示了24 ℃环境温度下铝表面经各种处理后的热发射率。可以推断，所有被研究表面的热发射率在0.005～0.016之间。图4中显示了随着样品温度的升高，热发射率增加的趋势。抛光铝具有最高的热发射率，而在纹理表面涂上TiO2会降低热发射率，再在表面涂上吸收涂料CuFeMnO4会进一步降低热发射率。铝的热发射率在0.03 ～ 0.06之间。

图4 铝在24 ℃下的热发射率

从图3中看出：值得注意的是，较低的一组曲线显示了反射率随波长增加，高反射率在远红外区域。使用珀金-埃尔默光谱2000红外分光光度计测量了超过3000 nm的波长，记录了2500～ 25000 nm波长范围的反射率超过40%，在远红外线范围具有较高的反射率。

4 结论

在纹理铝基板上TiO2/CuFeMnO4涂层具有对太阳能高的吸收率。铝基板是不透明的，测量得到15%～35%的反射率记录，这意味着TiO2/CuFeMnO4涂层在纹理铝基板达到65%～85%的吸收率。对于衬底温度范围在40～100 ℃之间，TiO2/CuFeMnO4涂层记录的热发射率值在0.005～0.016之间。TiO2/CuFeMnO4涂层具有较高的吸收率和较低的热发射率，具有较高的吸收-发射率比α/ε，证明TiO2/CuFeMnO4涂料是一种优良的选择性吸收材料。